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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CAMPUS ANGICOS Disciplina: Química Aplicada à Engenharia e seus Laboratórios Materiais cerâmicosMateriais cerâmicos 3ª - aula Profa: Lêda Maria Oliveira de Lima Natal-2017 Os dias atuais Materiais cerâmicosMateriais cerâmicos Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos CerâmicaCerâmica (Keramikos) = matéria prima queimada. VidrosVidros Produtos Produtos argilososargilosos RefratáriosRefratários Abrasivos Cimentos Cerâmicas avançadas Produtos Produtos argilosos argilosos estruturaisestruturais Vitrocerâmicas Louças Louças sanitáriassanitárias Fonte: Callister, 2002. Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos CERÂMICOS TRADICIONAIS -- Argila (AlArgila (Al22OO33SiOSiO22HH22O)O)-- Argila (AlArgila (Al22OO33SiOSiO22HH22O)O) -- Sílica (SiOSílica (SiO22)) -- Feldspato (KFeldspato (K22OAlOAl22OO336SiO6SiO22)) CERÂMICOS TÉCNICOS Óxido de alumínio (Alumina AlÓxido de alumínio (Alumina Al22OO33))Óxido de zircônio (Óxido de zircônio (ZircóniaZircónia ZrOZrO22)) CarbetoCarbeto de silício (de silício (SiCSiC)) NitretoNitreto de de siliciosilicio (Si(Si33NN44)) Classificação dos materiais cerâmicosClassificação dos materiais cerâmicos AplicaçõesAplicações Haste Femoral Prótese de quadril Ex: Alumina 99,9% de pureza AplicaçõesAplicações Aplicado em técnicas de fundição Carbeto de silícioÓxido de alumínio (Alunina) Até século XIX Abrasivos naturais – esmeril, mineral de cor preta, constituído de 40% óxido de ferro e 60% de óxido de alumínio. Século XX Abrasivos artificiais de alta dureza: abrasivos silicosos e aluminosos. ABRASIVOS AplicaçõesAplicações Abrasivos silicosos Constituído de carboneto de silício, feitos em fornos elétricos. Recomendado para metais de fraca resistência a tração (ferro fundido, latão, cobre, alumínio e materiais não metálicos). Abrasivos aluminosos Obtidos pela fusão da bauxita (minério de óxido de alumínio, silício e ferro) em fornos elétricos, obtendo dureza de 9,4 Mohs. Recomendado para metais mais resistentes a tração, como o aço e o bronze fosforoso. VANTAGENS: 1. Alta estabilidade térmica e química - evita reação química do filtro com o metal fundente. 2. Alta resistência mecânica e grande superfície de contato, eficiente para a purificação do fluxo de metal fundido. 3. Reduz a perda de metal na filtragem. 4. Torna o fluxo do metal fundido mais fluido. 5. Vários tamanhos, formatos e abertura dos poros. 6. Indicado para qualquer técnica de fundição. Carbeto de silícioÓxido de alumínio (Alunina) fosforoso. AplicaçõesAplicações Dióxido de zircônio Dióxido de zircônio ou zircônio é o composto de fórmula química ZrO2. Densidade: 5,68 g/cm³ Fórmula: ZrO2 Ponto de fusão: 2.715 °C Massa molar: 123,218 g/mol Ponto de ebulição: 4.300 °C AplicaçõesAplicações Dióxido de zircônioDióxido de zircônio Aplicações O principal composto de zircônio, o zircão, é utilizado como material refratário para moldes de fundição, como abrasivo e como constituinte de isolantes, esmaltes e outros materiais resistentes à temperatura. É também utilizado como pedra semi- preciosa artificial, imitando o diamante. O óxido de zircônio é utilizado como material refratário na fabricação de cristais piezoelétricos e de anéis para bobinas de indução de alta frequência, devido à sua baixa resistividade a alta temperatura. Utiliza-se ainda como pigmento na indústria cerâmica. Piezoeletricidade - é a capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica. O termo piezoeletricidade provém do grego (piezein), que significa, apertar/pressionar. AplicaçõesAplicações Selos mecânicos e válvulas em Carbeto de Silício Cerâmica porosa em cilindros para uso em aquários. Realiza a filtragem biológica e eliminação do amoníaco e dos nitritos da água. Estrutura Estrutura CristalinaCristalinaCristalinaCristalina (ligações predominantemente iônica)(ligações predominantemente iônica) TIPOS DE LIGAÇÕES • Iônica • Os elétrons de valência são transferidos entre átomos produzindo íons • Forma-se com átomos de diferentes eletronegatividades (um alta e outro baixa) • A ligação iônica não é direcional, a atração é mútuadirecional, a atração é mútua • A ligação é forte= 150-300 Kcal/mol (por isso o PF dos materiais com esse tipo de ligação é geralmente alto) • A ligação predominante nos materiais cerâmicos é iônica Na (metal) instável Cl (não metal) instável elétron + - Coulombic Attraction Na (cátion) estável Cl (ânion) estável • Ligação que predomina em Cerâmicas He - Ne - F 4.0 Li 1.0 H 2.1 Be 1.5 Cs Cl MgO CaF 2 NaCl O 3.5 - Ar - Kr - Xe - Rn - 4.0 Cl 3.0 Br 2.8 I 2.5 At 2.2 1.0 Na 0.9 K 0.8 Rb 0.8 Cs 0.7 Fr 0.7 1.5 Mg 1.2 Ca 1.0 Sr 1.0 Ba 0.9 Ra 0.9 Ti 1.5 Cr 1.6 Fe 1.8 Ni 1.8 Zn 1.8 As 2.0 Cs Cl 3.5 EstruturaEstrutura CristalinaCristalina predominantementepredominantemente:: ��EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AXAX ��EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AAmm XXpp ��EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AAmm BB nnXXppmm nn pp OndeOnde:: AA == cátioncátion XX == ânionânion EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AXAX 11 -- EstruturaEstrutura dodo salsal--gemagema (CFC)(CFC) AA == númeronúmero dede coordenaçãocoordenação 66 XX == númeronúmero dede coordenaçãocoordenação 66 EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AXAX 22 -- EstruturaEstrutura dodo cloretocloreto dede césiocésio (CCC)(CCC) AA == númeronúmero dede coordenaçãocoordenação 88 XX == númeronúmero dede coordenaçãocoordenação 88 EstruturaEstrutura cristalinacristalina dodo tipotipo AAmmXXpp mm e/oue/ou pp ≠≠ 11 55 cuboscubos (CCC)(CCC) Estrutura da caulinitaEstrutura da caulinita Plano de ânions Camada de Al2(OH)42+ Caulinita vista no microscópio ânions intermediário Al2(OH)4 Camada de (Si2O5)2- Micrografia da caulinita Estrutura da bentonitaEstrutura da bentonita Cátions trocáveis Oxigênio Hidroxila Silício Alumínio 3. Os materiais 3. Os materiais cerâmicos.cerâmicos.cerâmicos.cerâmicos. Produtos cerâmicosProdutos cerâmicos Cerâmica vermelha ou produtos cerâmicos estruturais Tijolos, azulejos, telhas, ladrilhos de piso e tubulações de esgoto Porcelanas, louças de Cerâmica branca Porcelanas, louças de mesa, azulejos, pastilhas para revestimento externo e louça sanitária Refratários Tijolos refratários para fornos e churrasqueiras Vidros Cimentos Propriedades Propriedades mecânicas dos mecânicas dos mecânicas dos mecânicas dos materiais cerâmicosmateriais cerâmicos Comportamento mecânico dos Comportamento mecânico dos materiais cerâmicosmateriais cerâmicos � Os materiais cerâmicos têm sua aplicabilidade limitada em certos aspectos devido às suas propriedades mecânicas, que em certos aspectos são inferiores àquelas apresentadas pelos metais.são inferiores àquelas apresentadas pelos metais. � A principal desvantagem é uma disposição à fratura catastrófica de uma maneira frágil, com muito pouca absorção de energia. Comportamento tensãoComportamento tensão--deformaçãodeformação � O comportamento tensão-deformação dos materiais cerâmicos não é avaliado através de um ensaio de tração como no caso dos materiais metálicos. Por três razões:1. é difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida;a geometria exigida; 2. é difícil prender e segurar materiais frágeis sem fraturá-los; 3. as cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%. Resistência à flexão.Resistência à flexão. Seção circular de raio R 3R FL pi σ = F Seção retangular de dimensões b e d b d 22 3 bd FL =σL/2 L/2 Momento Onde: σ = Tensão F = força aplicada L = distância entre os apoios Deformação Plástica 1. Existem poucos sistemas de escorregamento (conjunto de planos e direções cristalográficas), que As cerâmicas cristalinas apresentam pouca ou nenhuma deformação plástica. (conjunto de planos e direções cristalográficas), que se tornam operantes somente a temperaturas elevadas, ainda assim o movimento é difícil; 2. O movimento das discordâncias em planos cristalográficos específicos é dificultado pela natureza das ligações químicas, predominantemente iônicas. Deformação Plástica Nas cerâmicas não-cristalinas (como os vidros) não há movimento de discordância, uma vez que não existe uma estrutura cristalina. Ocorre deformação plástica: 1. ocorre através do escoamento viscoso pela aplicação de uma tensão cisalhante e a taxa de deformação é proporcional a tensão aplicada; A propriedade que representa este comportamento é a viscosidade: uma medida da resistência a deformação de um material não- cristalino. Tensão de cisalhamnetoTensão de cisalhamneto Tensão de cisalhamento ou tensão tangencial, ou ainda tensão de corte ou tensão cortante é um tipo de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos iguais ou opostos, em direções semelhantes, mas com intensidades diferentes no material analisado. Umintensidades diferentes no material analisado. Um exemplo disso é a aplicação de forças paralelas mas em sentidos opostos, ou a típica tensão que gera o corte em tesouras. Influência da porosidade 1. Os poros reduzem a área de seção reta através da qual uma carga é aplicada. 2. Atuam como concentradores de tensão (reduzindo a resistência). Propriedades Elétricas Propriedades Elétricas dos materiaisdos materiaisdos materiaisdos materiais Porque estudar as propriedades elétricas? ? • O estudo das? propriedades elétricas busca explorar como os materiais respondem a aplicação de um campo elétrico. • Lei de Ohm : CONDUÇÃO ELÉTRICA Uma das características mais importante é a facilidade com que o material transmite uma corrente elétrica. ∆V = I R A Lei de Ohm relaciona a corrente ou a taxa de passagem de carga ao longo do tempo, relacionando a voltagem aplicada. Queda de voltagem (volts) Resistência (Ohms (Ω).) corrente (A) CONDUÇÃO ELÉTRICA Chama-se Resistência Elétrica (R) a propriedade de um material que determina a facilidade com a qual ele transmite uma corrente elétrica ( I ). Ela é dada através da Lei de Ohm, que relaciona a corrente elétrica com a voltagem aplicada (V) através da seguinte fórmula: Quando os elétrons encontram uma certa dificuldade para se deslocar, isto é, existe uma resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas ∆V = I R R = ρ. l/A A resistividade ρ é independente da amostra (geometria) e está relacionada com R ρ = RA/L L Área da seção reta resistência à passagem da corrente no condutor. Para medir essa resistência, os cientistas definiram uma grandeza que denominaram resistividade elétrica. • A condutividade elétrica é usada para especificar a natureza elétrica do material. ρ σ 1 = CONDUTIVIDADE ELÉTRICA σ ρ A (C.E) é um indicativo da facilidade segundo a qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica IMPORTANTE De acordo com a facilidade de condução elétrica, os materiais sólidos podem ser: • Condutores • Semicondutores • Isolantes • Tem resistividade entre Metais e Isolante 10-6-10-4 Ω.cm 1010-1020 Ω.cm - Características: PROPRIEDADES ELÉTRICAS SEMICONDUTORES - Características: • A resistividade diminui com o aumento de temperatura (ao contrário dos metais); • A resistividade diminui com a adição de certas impurezas; • A resistividade aumenta com a presença de imperfeições nos cristais. SEMICONDUTORES • Silício, Germânio (Grupo IV da Tabela Periódica) • GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela Periódica) • PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Exemplos: • PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Periódica) • 95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com Silício • 65% dos dispositivos de semicondutores do grupo III-V são para uso militar. • Segue alguns exemplos de dispositivos eletrônicos: SEMICONDUTORES Transistor Circuito Integrado Diodos LEDS • Indústria de computadores (memórias, microprocessadores, etc.) • Indústria aeroespacial • Telecomunicações • Equipamentos de áudio e vídeo Aplicações dos Semicondutores • Equipamentos de áudio e vídeo • Na robótica • Sistemas industriais de medidas e controles • Sistemas de segurança • Automóveis • Equipamentos médicos,... A- METAIS • Os elétrons de valência não estão ligados a nenhum átomo específico (estão livres) Há atração entre os elétrons livres (de valência) e os íons positivos (núcleo mais elétrons de Ligação Química Há atração entre os elétrons livres (de valência) e os íons positivos (núcleo mais elétrons de valência) • Os metais têm elevada condutividade elétrica devido os elétrons estarem livres para moverem- se (alta mobilidade). • No entanto, a agitação térmica reduz o livre percurso médio dos elétrons, a mobilidade dos mesmos e como consequência a condutividade. EFEITO DA TEMPERATURA E DA ESTRUTURA DO MATERIAL NA RESISTIVIDADE Estrutura perfeita a Movimento dos Elétrons a MaisBaixa temperatura Movimento dos Elétrons a Mais Alta Temperatura Movimento dos Elétrons em uma estrutura com impurezas B- SEMICONDUTORES Todos os semicondutores têm ligação covalente, com 4 elétrons de valência. Os semicondutores compostos (grupos III-V e II-VI) têm 4 elétrons de valência em média. Ligação Química RESISTIVIDADE X TEMPERATURA PARA UM SEMICONDUTOR O aumento da temperatura fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais. • Valores em (T) ambiente (Ohm-m) COMPARAÇÃO ENTRE VALORES DE CONDUTIVIDADE Prata 6,8 x 107 Cobre 6,0 x 107 Ferro 1,0 x 107 METAIS Vidro comum 10 -10 Concreto 10-9 Al2O3 <10 -13 CERÂMICAScondutores 4Valores oriundos das tabelas 18.1, 18.2 e18.3, Callister 6e. Poliestireno <10 -14 Polietileno 10 -15 -10 -17 Ferro 1,0 x 10 Silício 4 x 10-4 Germânio 2 x 100 GaAs 10-6 SEMICONDUTORES Al2O3 <10 POLIMEROS semicondutores isolantes • É a condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros. CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO) • Um semicondutor pode ser tipo "p" (condução devido aos buracos) ou tipo "n" (condução devidos aos elétrons) • Este tipo de condução se origina devido a presença de uma imperfeição eletrônica ou devido a presença de impurezas residuais. CONDUÇÃO INTRÍNSECACONDUÇÃO INTRÍNSECA CONDUÇÃO EXTRÍNSECA • Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para proporcionar elétrons ou buracos extras. • Os semicondutores extrínsecos podem ser: Tipo p: com impurezas que proporcionam buracos extras. Tipo n: com impurezas que proporcionam elétrons extrasTipo n: com impurezas que proporcionam elétrons extras Os processos utilizados para dopagem são a difusão e a implantação iônica CONDUÇÃO EXTRÍNSECA CONSIDERAÇÕES GERAIS • Os elétrons tem maior mobilidadeque os buracos. • A presença de impurezas pode alterar o tamanho do gap de energia dotamanho do gap de energia do semicondutor. OPERAÇÃO DO DIODO (JUNÇÃO P-N) – Dispositivos eletrônicos como transistors, circuitos integrados, chips, etc... usam a combinação de semicondutores extrínsecos tipo “p” e tipo “n” . • DIODO � é um dispositivo que permite a corrente fluir em um sentido e não em outro. É construído juntando um semicondutor tipo “n” e tipo “p”. Propriedades Térmicas Propriedades Térmicas dos materiais dos materiais dos materiais dos materiais cerâmicoscerâmicos • Geral: A habilidade de um material em absorver calor. • Quantitativa: a energia requerida para aumentar a temperatura do material. Entrada de energia (J/mol) CAPACIDADE TÉRMICA 2 Variação de temperatura (K) C = dQ dT Capacidade calorífica (J/mol-K) Entrada de energia (J/mol) • duas maneiras de medição: -- Cp : capacidade calorífica à pressão constante. -- Cv : capacidade calorífica a volume constante. • a capacidade calorífica aumenta com a temperatura e tem como valor máximo 3R. CAPACIDADE CALORÍFICA VS T Capacidade calorífica, Cv 3R Cv= constante Constante dos gases 3 • Ponto de vista atômico: -- a energia é armazendada como vibrações. -- à medida que T aumenta, a energia média de vibração aumenta. Adaptado da Fig. 19.2, Callister 6e. Temperatura Debye usualmente menor que Tamb T (K)θD Constante dos gases = 8,31 J/mol-K • Materiais mudam suas dimensões sob aquecimento. )( inicialfinal inicial inicialfinal TT L LL −= − α coeficiente de expansão térmica (1/K) EXPANSÃO TÉRMICA Tinicial Tfinal Lfinal Linicial 5 • ponto de vista atômico: o comprimento das ligações aumenta com T. Adaptado da Fig. 19.3(a), Callister 6e. Energia de ligação Comprimento da ligação (r)T T1 r ( T 5 ) r ( T 1 ) T5 A curva é “assimétrica” • Geral: Habilidade de um material transferir calor. • Quantitativa: q = −k dT dx Gradiente de temperatura Condutividade térmica (J/m-K-s) Fluxo de calor (J/m2-s) CONDUTIVIDA TÉRMICA 7 • Ponto de vista atômico: a energia atômica das regiões mais quentes leva energia, em termos de vibração, para as mais frias. T2 > T1T1 x1 x2Fluxo de calor • Ocorre devido: --aquecimento/resfriamento desequilibrado --expansão térmica mal equilibrada. TENSÃO TÉRMICA FIM
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